추상적인:우리는 0.28 dB/cm의 손실과 1.1백만의 링 공진기 품질 계수를 갖는 1550 nm 절연체 기반 리튬 탄탈레이트 도파관을 개발했습니다. 비선형 광자학에서 χ(3) 비선형성의 응용에 대한 연구가 진행되어 왔습니다. 절연체 위에 리튬 니오베이트(LNoI)는 "절연체-온" 구조로 인해 강력한 광학적 구속과 함께 우수한 χ(2) 및 χ(3) 비선형 특성을 나타내며, 이러한 장점은 초고속 변조기 및 집적 비선형 광자학을 위한 도파관 기술의 상당한 발전을 가져왔습니다[1-3]. 리튬 니오베이트(LN) 외에도 리튬 탄탈레이트(LT) 또한 비선형 광자 재료로 연구되어 왔습니다. LN에 비해 LT는 더 높은 광학적 손상 임계값과 더 넓은 광학적 투명도 창을 가지고 있습니다[4, 5]. LT의 굴절률 및 비선형 계수와 같은 광학적 매개변수는 LN과 유사합니다[6, 7]. 따라서 LToI는 고출력 비선형 광자 응용 분야에 적합한 또 다른 강력한 후보 물질로 주목받고 있습니다. 더욱이 LToI는 고속 모바일 및 무선 기술에 적용 가능한 표면 음향파(SAW) 필터 장치의 주요 물질로 자리 잡고 있습니다. 이러한 맥락에서 LToI 웨이퍼는 광자 응용 분야에서 더욱 일반적인 물질이 될 수 있습니다. 그러나 현재까지 LToI 기반 광자 장치는 마이크로디스크 공진기[8] 및 전기광학 위상 변환기[9]와 같은 몇 가지 사례만 보고되었습니다. 본 논문에서는 저손실 LToI 도파관과 이를 링 공진기에 적용한 사례를 제시합니다. 또한 LToI 도파관의 χ(3) 비선형 특성을 제공합니다.
핵심 요점:
• 국내 기술과 성숙한 공정을 활용하여 100nm에서 1500nm에 이르는 상층 두께를 가진 4인치~6인치 LToI(리튬 탄탈레이트 박막) 웨이퍼를 제공합니다.
• SINOI: 초저손실 질화규소 박막 웨이퍼.
• SICOI: 실리콘 카바이드 광자 집적 회로용 고순도 반절연 실리콘 카바이드 박막 기판.
• LTOI: 리튬 니오베이트 및 박막 리튬 탄탈레이트 웨이퍼의 강력한 경쟁자입니다.
• LNOI: 8인치 LNOI는 대규모 박막 리튬 니오베이트 제품의 양산을 지원합니다.
절연체 도파관에서의 제조:본 연구에서는 4인치 LToI 웨이퍼를 사용했습니다. 상부 LT 층은 SAW 소자용으로 상용으로 제작된 42° 회전 Y컷 LT 기판이며, 스마트 커팅 공정을 이용하여 3µm 두께의 열산화막 층이 있는 Si 기판에 직접 접합했습니다. 그림 1(a)는 LToI 웨이퍼의 평면도를 보여주며, 상부 LT 층의 두께는 200nm입니다. 상부 LT 층의 표면 거칠기는 원자력 현미경(AFM)을 이용하여 측정했습니다.
그림 1.(a) LToI 웨이퍼의 평면도, (b) 상부 LT층 표면의 AFM 이미지, (c) 상부 LT층 표면의 PFM 이미지, (d) LToI 도파관의 단면도, (e) 계산된 기본 TE 모드 프로파일, (f) SiO2 오버레이 증착 전 LToI 도파관 코어의 SEM 이미지. 그림 1(b)에서 볼 수 있듯이 표면 거칠기는 1nm 미만이며, 스크래치 라인은 관찰되지 않았다. 또한, 그림 1(c)에 나타낸 바와 같이 압전 응답력 현미경(PFM)을 사용하여 상부 LT층의 분극 상태를 조사했다. 접합 공정 후에도 균일한 분극이 유지됨을 확인했다.
이 LToI 기판을 사용하여 다음과 같이 도파관을 제작했습니다. 먼저, LT의 건식 식각을 위해 금속 마스크 층을 증착했습니다. 그런 다음, 금속 마스크 층 위에 전자빔(EB) 리소그래피를 수행하여 도파관 코어 패턴을 형성했습니다. 이어서, 건식 식각을 통해 EB 레지스트 패턴을 금속 마스크 층으로 전사했습니다. 그 후, 전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마 식각을 이용하여 LToI 도파관 코어를 형성했습니다. 마지막으로, 습식 공정을 통해 금속 마스크 층을 제거하고, 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 이용하여 SiO2 오버레이어를 증착했습니다. 그림 1(d)는 LToI 도파관의 개략적인 단면도를 보여줍니다. 전체 코어 높이, 플레이트 높이 및 코어 폭은 각각 200nm, 100nm 및 1000nm입니다. 광섬유 결합을 위해 도파관 가장자리에서 코어 폭이 3µm까지 확장됨을 참고하십시오.
그림 1(e)는 1550 nm에서 기본 횡방향 전기(TE) 모드의 계산된 광 강도 분포를 나타낸다. 그림 1(f)는 SiO2 오버레이어 증착 전 LToI 도파관 코어의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도파관 특성:먼저 1550 nm 파장의 증폭된 자발 방출 광원에서 나오는 TE 편광광을 다양한 길이의 LToI 도파관에 입력하여 선형 손실 특성을 평가했습니다. 전파 손실은 각 파장에서 도파관 길이와 투과율 사이의 관계의 기울기로부터 얻었습니다. 측정된 전파 손실은 1530 nm, 1550 nm, 1570 nm에서 각각 0.32 dB/cm, 0.28 dB/cm, 0.26 dB/cm였습니다(그림 2(a) 참조). 제작된 LToI 도파관은 최첨단 LNoI 도파관[10]과 유사한 저손실 성능을 보였습니다.
다음으로, 4파 혼합 과정에 의해 생성된 파장 변환을 통해 χ(3) 비선형성을 평가했습니다. 12mm 길이의 도파관에 1550.0nm의 연속파 펌프광과 1550.6nm의 신호광을 입력했습니다. 그림 2(b)에서 볼 수 있듯이, 위상 공액(아이들러) 광파 신호 강도는 입력 전력이 증가함에 따라 증가했습니다. 그림 2(b)의 삽입 그림은 4파 혼합의 일반적인 출력 스펙트럼을 보여줍니다. 입력 전력과 변환 효율 사이의 관계로부터 비선형 매개변수(γ)를 약 11 W^-1m로 추정했습니다.
그림 3.(a) 제작된 링 공진기의 현미경 이미지. (b) 다양한 갭 매개변수를 갖는 링 공진기의 투과 스펙트럼. (c) 갭이 1000 nm인 링 공진기의 측정된 투과 스펙트럼 및 로렌츠 함수로 피팅된 투과 스펙트럼.
다음으로, LToI 링 공진기를 제작하고 그 특성을 평가했습니다. 그림 3(a)는 제작된 링 공진기의 광학 현미경 이미지입니다. 이 링 공진기는 곡면 영역(반경 100 µm)과 직선 영역(길이 100 µm)으로 구성된 "레이스트랙" 형태를 하고 있습니다. 링과 버스 도파관 코어 사이의 간격은 200 nm씩 증가시키면서 800 nm, 1000 nm, 1200 nm로 설정했습니다. 그림 3(b)는 각 간격에 대한 투과 스펙트럼을 보여주며, 소멸비가 간격 크기에 따라 변화함을 알 수 있습니다. 이 스펙트럼을 통해 1000 nm 간격에서 -26 dB의 가장 높은 소멸비를 나타내어 거의 임계 결합 조건을 제공한다는 것을 확인했습니다.
임계 결합 공진기를 사용하여 선형 투과 스펙트럼을 로렌츠 곡선에 맞춰 품질 계수(Q 인자)를 추정하였고, 그림 3(c)에서 보는 바와 같이 내부 Q 인자가 110만으로 나타났습니다. 저희가 아는 한, 이는 도파관 결합 LToI 링 공진기의 최초 구현입니다. 특히, 저희가 얻은 Q 인자 값은 광섬유 결합 LToI 마이크로디스크 공진기의 값보다 훨씬 높습니다[9].
결론:우리는 1550nm에서 0.28dB/cm의 손실과 1.1백만의 링 공진기 Q 인자를 갖는 LToI 도파관을 개발했습니다. 얻어진 성능은 최첨단 저손실 LNoI 도파관의 성능과 유사합니다. 또한, 우리는 온칩 비선형 응용을 위해 제조된 LToI 도파관의 χ(3) 비선형성을 조사했습니다.
게시 시간: 2024년 11월 20일